Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока - Станислас Деан

Почему автоматизация так важна? Потому что она высвобождает ресурсы мозга. Как вы помните, теменная и префронтальная кора представляют собой универсальную сеть управляющего контроля, которая не способна к мультизадачности. Пока центральный исполнительный орган нашего мозга сосредоточен на одной задаче, все остальные сознательные решения откладываются или отменяются. Таким образом, до тех пор пока некая умственная операция не автоматизирована за счет избыточного научения и, следовательно, требует усилий, она будет поглощать ценные ресурсы внимания и мешать нам сосредоточиться на чем-либо еще. Консолидация необходима, ибо позволяет направить наши драгоценные мозговые ресурсы на другие цели.

Рассмотрим конкретный пример. Представьте, что вам нужно решить математическую задачку, но ваши навыки чтения остались на начальном уровне: «Шо-фер вы-е-хал из го-ро-да А в два ча-са и в во-семь ча-сов о-ка-зал-ся в го-ро-де Б, ко-то-рый на-хо-дит-ся в пя-ти-ста ки-ло-мет-рах от го-ро-да А. Ка-ко-ва бы-ла е-го сре-д-ня-я с-ко-ро-с-ть?» Думаю, вы меня поняли: одновременно читать и считать практически невозможно. Трудности с чтением сводят на нет всякую способность к арифметическим размышлениям. Посему необходимо, чтобы наиболее полезные умственные инструменты, такие как чтение или арифметика, стали нашей второй натурой – иными словами, чтобы они работали без участия сознания и без усилий. Нельзя достичь высших уровней образовательной пирамиды, не укрепив предварительно ее фундамент.

В предыдущей главе мы убедились, что процесс научения протекает гораздо эффективнее, если учебная деятельность осуществляется с равными интервалами: проще говоря, вместо того чтобы пытаться усвоить весь урок за один день, лучше растянуть его во времени, разбив на несколько частей. Причина проста: каждую ночь наш мозг консолидирует то, что мы узнали днем. Это одно из важнейших открытий нейробиологии за последние тридцать лет: сон – не просто период бездействия или сбора мусора, который мозг накопил во время бодрствования. Совсем наоборот: пока мы спим, мозг остается активным; он запускает специальный алгоритм, который воспроизводит важные события прошедшего дня, и постепенно переносит их в более продуктивный отсек нашей памяти.

Открытие было сделано еще в начале ХХ века. В 1924 году два американских психолога, Джон Дженкинс (1901–1948) и Карл Далленбах (1887–1971), обратились к классическим исследованиям памяти316. В частности, они подробно изучили работы одного из первых исследователей механизмов запоминания, немца Германа Эббингауза (1850–1909), который в конце XIX века открыл базовый психологический закон: чем больше проходит времени, тем хуже вы помните то, чему однажды научились. Предложенная Эббингаузом кривая забывания – красивая, монотонно убывающая экспонента. Однако Дженкинс и Далленбах обратили внимание на одну аномалию: кривая не показывала ухудшения памяти в период между восемью и четырнадцатью часами после усвоения нового материала. Почему? Оказывается, в эксперименте Эббингауза восьмичасовой лимит совпадал с тестами, проведенными в тот же день, а четырнадцатичасовой – с тестами, проведенными с интервалом в одну ночь. Чтобы разобраться в причинах столь странного явления, Дженкинс и Далленбах провели новое исследование, которое позволило разграничить две переменные: время до проверки памяти и влияние сна. В рамках эксперимента ученые просили студентов запомнить случайные слоги либо около полуночи, непосредственно перед сном, либо утром. Результаты не оставили сомнений: то, что мы узнаем утром, со временем исчезает, согласно экспоненциальному закону Эббингауза; то, что мы узнаем в полночь, напротив, остается стабильным во времени (при условии, что студенты спали не менее двух часов). Другими словами, сон препятствует забыванию.

На ум приходит несколько альтернативных интерпретаций такой закономерности. Возможно, в течение дня память стирается потому, что во время бодрствования мозг накапливает токсичные вещества, которые выводятся во время сна; или, возможно, на память пагубно влияют другие события, случившиеся в промежутке между освоением нового материала и тестированием, чего во время сна, разумеется, не происходит. Тем не менее все эти альтернативные объяснения были окончательно отвергнуты в 1994 году: израильские исследователи продемонстрировали, что мы продолжаем учиться даже ночью – после ночного сна когнитивная и моторная деятельность улучшается без какой-либо дополнительной тренировки317. Эксперимент был прост. В течение дня добровольцы учились обнаруживать полосу в определенной точке сетчатки. Эффективность выполнения задачи медленно увеличивалась, пока не достигала плато. Однако стоило ученым отправить испытуемых спать, как их ждал сюрприз: когда те просыпались на следующее утро, их производительность резко повышалась и оставалась на этом уровне на протяжении следующих нескольких дней. Сон явно вызывает дополнительное научение: если исследователи будили испытуемых каждый раз, когда наступала фаза быстрого сна, утром никаких улучшений не отмечалось.

Многочисленные исследования подтвердили и уточнили эти ранние открытия318. Прежде всего оказалось, что положительный эффект ночного сна зависит от его качества. Чтобы оценить качество сна, ученые закрепляли на голове испытуемых несколько электродов и отслеживали медленные волны, характеризующие глубокий сон. Как выяснилось, и продолжительность, и глубина сна являются надежными предикторами повышения производительности после пробуждения. Данная взаимосвязь работает и в обратном направлении: потребность во сне, судя по всему, зависит от интенсивности стимуляции и научения в течение дня. У животных во время фазы быстрого сна в гиппокампе и коре возрастает экспрессия гена zif-268, отвечающего за нейропластичность (особенно она выражена у особей, ранее находившихся в обогащенной среде). Другими словами, повышенная стимуляция приводит к всплеску в ночной нейропластичности319.

Хотя соответствующие роли разных фаз сна пока изучены не до конца, глубокий сон определенно способствует консолидации и обобщению знаний (то, что психологи называют семантической или декларативной памятью), в то время как быстрый сон, во время которого активность мозга близка к состоянию бодрствования, содействует закреплению перцептивных и моторных навыков (процедурная память).

Несмотря на то что психологические доказательства положительного влияния сна казались весьма убедительными, нейронный механизм, благодаря которому спящий мозг может учиться даже лучше, чем бодрствующий, оставался загадкой. В 1994 году нейрофизиологи Мэттью Уилсон и Брюс Макнотон совершили важное открытие: в отсутствие какой-либо внешней стимуляции нейроны гиппокампа самопроизвольно активируются во время сна320. При этом их активность носит отнюдь не случайный характер: ученые обнаружили, что она… воспроизводит перемещения животного в течение дня!

Как мы видели в главе 4, гиппокамп содержит нейроны места, то есть клетки, которые срабатывают, когда животное находится (или считает, что находится) в определенной точке пространства. В гиппокампе имеется множество нейронов, кодирующих место, при этом все они реагируют на разные локации. Записав активность достаточного их количества, вы обнаружите, что они охватывают все пространство, в котором движется животное. Когда крыса бежит по коридору, одни нейроны срабатывают у входа, другие – в середине, третьи – ближе к концу. Таким образом, путь, который проходит крыса, отражается в последовательном возбуждении цепочки клеток места: иначе говоря, движение в реальном пространстве превращается во временную последовательность в нейрональном пространстве.